Für die Wirkung von Siliziumdioxid gibt es im Wesentlichen eine Abhängigkeit von der Struktur des Materials, also ob es kristallin oder amorph ist. Die Größe der Partikel, ob Mikro- oder Nanometer, spielt nur eine untergeordnete Rolle. Das Einatmen von kristallinem Siliziumdioxid verursacht erhebliche Entzündungen im Lungengewebe, amorphes Siliziumdioxid dagegen löst in hoher Dosierung zwar eine kurzzeitige Entzündung aus, doch nach deren Abklingen treten keine weiteren Effekte auf.

Aufnahme über die Lunge – Inhalation

Siliziumdioxid hat entweder eine amorphe oder kristalline Struktur, was einen wesentlichen Einfluss auf seine biologischen Wirkungen hat. Das Einatmen von kristallinem Siliziumdioxid verursacht Silikose, auch Staublungenkrankheit oder Quarzstaublungenerkrankung genannt. Unter einer Silikose versteht man krankhafte Veränderungen der Lunge, die durch eine lang andauernde Einatmung von Quarzstaub-Partikeln entstehen. Einatembarer Quarzstaub wurde von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (engl. International Agency for Research on Cancer, IARC) als krebserregend eingestuft . Daher ist geeignete Schutzausrüstung am Arbeitsplatz zu tragen, wenn mit Quarzstaub hantiert wird . In einer vergleichenden Studie inhalierten zwei Gruppen von Ratten drei Monate lang kristalline Quarzpartikel oder amorphe Siliziumdioxid Nanopartikel. Anschließend wurden Entzündungsreaktionen in der Lunge analysiert. Dabei löste die kristalline Form eine erhebliche Entzündung aus, die nicht abklang. Das amorphe Siliziumdioxid dagegen löste nur in hoher Dosierung eine kurzzeitige Entzündung aus, die nach kurzer Erholungszeit abgeklungen ist und es konnten keine weiteren negativen Effekte beobachtet werden . Dieses Verhalten der beiden verschiedenen Strukturformen des SiO₂ wird durch weitere wissenschaftliche Arbeiten bestätigt . Für das amorphe Siliziumdioxid wurden zwei Laborstudien nach OECD Richtlinien durchgeführt. Die Ratten inhalierten die Nanopartikel über kurze Zeiträume (5 bzw. 28 Tage) in verschiedenen Dosierungen und danach wurden sie auf mögliche Wirkungen des SiO₂ in der Lunge untersucht. Es zeigten sich allerdings keinerlei negative Effekte in diesen Experimenten [6, 7] . Im gleichen Zeitraum wurden mehrere Experimente ebenfalls mit Ratten und ähnlichen Nanopartikeln durchgeführt, allerdings mit der Methode der Instillation, die sich von der Inhalationsexposition sehr unterscheidet, da sie weniger realistisch ist und meist sehr hohe lokale Konzentrationen in der Lunge erzeugt. Bei diesen Studien wurden Entzündungsreaktionen und oxidativer Stress in den Lungen der Versuchstiere beobachtet , die allerdings ausschließlich bei Überladung der Lunge mit Partikeln auftraten, dem sogenannten «Overload-Effekt». Dieser Effekt tritt immer dann auf, wenn die Reinigungsprozesse der Lunge überfordert sind. Die Untersuchungen zur Lungenexposition durch Siliziumdioxid zeigen zwei Dinge: zum einen hat dieser Stoff in der amorphen Form kaum eine Wirkung. Zum anderen muss jedoch eine Überladung der Lunge mit Staubpartikeln generell vermieden werden, da das Beladen mit hohen Mengen bzw. das Einatmen hoher Konzentrationen an Partikeln über einen längeren Zeitraum durchaus eine Lungenschädigung nach sich ziehen kann. Dies ist jedoch nicht spezifisch für Siliziumdioxid, sondern betrifft jede Form von Staubpartikeln, die eingeatmet werden können (siehe Querschnittsartikel – Granuläre biobeständige Stäube). Unter realistischen Bedingungen des Alltages spielt ein solches Szenario aber kaum eine Rolle, da eine Situation nicht zu finden ist, in der über Wochen und Monate große Mengen an Staub eingeatmet werden.  

Aufnahme über die Haut – Dermal

Siliziumdioxid ist als Stoff für die Verwendung in kosmetischen Produkten (z.B. Hautpflege, Zahncreme) zugelassen. Daher ist das Wissen zu einer möglichen Aufnahme über die Haut ein wichtiger Faktor in der Sicherheitsbetrachtung zu diesem Material. Siliziumdioxid in seiner amorphen Form kommt in vielen Produkten vor, so auch in Hautpflegemitteln oder Zahncreme. Seit Juli 2013 müssen in Kosmetika Substanzen, die bewusst als Nanopartikel zugesetzt werden, mit dem Zusatz „(nano)“ auf der Liste der Inhaltsstoffe gekennzeichnet werden. Die Auswirkungen auf die Haut wurden in zahlreichen Experimenten getestet, aber nur wenige haben eine Aufnahme in den Körper untersucht, da dies methodisch sehr schwierig ist. Dennoch gibt es einige sehr interessante Ergebnisse aus neueren Studien. Eine Untersuchung hat dabei einen direkten Vergleich zwischen einer Hautzellkultur (HaCaT Keratinozyten), einem dreidimensionalen Hautmodell („EpiDerm^®") und Kaninchenhaut vorgestellt. Dabei wurde gezeigt, dass die isolierten Hautzellen nur durch Behandlung mit sehr hohen Konzentrationen an Nanopartikeln mit einem leichten Verlust der Vitalität reagierten. Das 3D-Modell und die Kaninchenhaut reagierten aber weder mit Vitalitätsverlust noch mit Hautirritationen . Einige Zeit später wurde eine umfangreiche Studie zur Untersuchung verschieden großer Nanopartikel des amorphen Siliziumdioxid und ihrem Eindringen in die menschliche Haut durchgeführt. Hier gab es, wie schon Arbeiten zu anderen Materialien zeigen konnten, keinen Hinweis auf ein Eindringen der Nanopartikel durch die gesunde Haut in den Körper (vgl. Körperbarrieren «Nanopartikel und die Haut»). Genauso bemerkenswert ist eine britische Studie mit dem 3D-Modell „EpiDerm^®“. Dieses 3D-Modell ersetzt neben anderen Modellen mittlerweile Tierversuche, da für alle kosmetischen Produkte seit dem Jahr 2013 in Europa keine Tierversuche mehr durchgeführt werden dürfen. Diese dreidimensionalen Hautmodelle sind genauso zusammengesetzt wie menschliche Haut und verhalten sich auch so. Sie bestehen aus den verschiedenen Schichten, aus denen auch unsere Haut aufgebaut ist: in den tiefen Lagen die lebenden, sich vermehrenden epidermalen Zellen und zur Oberfläche hin mit abgestorbenen Keratinozyten, die unsere Haut mit 10-15 Lagen abgestorbener Zellen bedecken, auch Hornhaut genannt. Eine vergleichende Studie der Universität Swansea zeigte, dass einfache Zellkulturen von Hautzellen auf hohe Konzentrationen von SiO₂ Nanopartikeln mit einer Erhöhung von DNA-Schäden reagieren, während das realistischere 3D-Modell keinerlei Symptome oder biologische Effekte aufwies . Auch ein Eindringen der Nanopartikel in tiefere Zellschichten konnte in dieser Studie ausgeschlossen werden, so dass das Siliziumdioxid nicht mit den lebenden Zellen der Epidermisschicht in Berührung kam. Eine weitere Studie konnte sogar einen Schutzeffekt der SiO₂ Nanopartikel nachweisen . Im Tierversuch mit Mäusen wurden zwei Hautsensibilisatoren eingesetzt, die Symptome einer Allergie hervorrufen. Wurde die Haut der Tiere aber gleichzeitig mit Siliziumdioxid behandelt, blieben die allergischen Symptome aus. Dies traf für die negativ geladenen und neutralen Nanopartikel zu. Solche, die auf ihrer Oberfläche positive Ladungen trugen, zeigten diesen Schutzeffekt nicht. Zusammengenommen belegen die Ergebnisse der Versuche zur Behandlung von Haut und Hautzellen mit Siliziumdioxid, dass diese Nanopartikel keinen schädigenden Einfluss auf die Haut haben und auch durch die gesunde Haut nicht in den Körper gelangen können.  

Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt

Amorphes Siliziumdioxid (SiO₂) gilt als untoxisch und ist als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen (E551) und wird dank seiner Eigenschaften in vielen Nahrungsmitteln als Füllstoff und Fließhilfe eingesetzt. Produktionsbedingt kann dieser Lebensmittelzusatzstoff auch einen gewissen Anteil an nanoskaligen SiO₂ Partikeln enthalten. Allerdings wird die größte Produktionsmenge für ganz andere Anwendungen benötigt, wie Farben und Lacke, kratzfeste Oberflächen und viele andere Produkte des täglichen Lebens.

In vitro Studien mit Magen- und Darmzellen zeigen, dass nur sehr hohe Konzentrationen an Siliziumdioxid Nanopartikeln die Zellgesundheit schädigen . Dies bestätigt eine weitere Studie, bei der verschiedene Zelltypen aus dem Magen-Darm-Trakt mit unterschiedlichen Konzentrationen an SiO₂ Nanopartikeln in Lebensmittelqualität behandelt wurden. Die Zellen zeigten bei realistischen Konzentrationen keine toxischen Reaktionen, sondern reagierten nur auf sehr hoch dosiertes Nano-Siliziumdioxid mit gehemmtem Zellwachstum . Auch in einer weiteren Studie wurde eine Reaktion von Immunzellen der Darmschleimhaut auf relativ hohe Konzentrationen von SiO₂ Nanopartikeln in Lebensmittelqualität nachgewiesen. Es fand eine Aufnahme der Nanopartikel in die Zellen sowie eine Aktivierung intrazellulärer Signalwege statt . Weiterhin konnten Siliziumdioxid Nanopartikel in Zellkulturversuchen das Wachstum von Darmzellen anregen . Eine echte giftige Wirkung wurde aber auch hier nicht beobachtet. Neuere in vivo Studien belegen, dass über die Nahrung verabreichte SiO₂ Nanopartikel keine negativen Effekte im Magen-Darm-Trakt von Ratten hervorrufen. Dabei wurden im Versuch bis zu 90-Tage 1,5 g/kg Körpergewicht und Tag gegeben, ohne irgendwelche negativen Folgen für die Versuchstiere . Obwohl keine der hier aufgeführten Studien mit für Nahrungsmittel zugelassenem Siliziumdioxid durchgeführt wurde, waren auch diese meist oberflächenaktiven Varianten nicht schädlich für den Magen-Darm-Trakt. Außerdem wird Siliziumdioxid durch seine schlechte Löslichkeit meist unverdaut wieder ausgeschieden . Siliziumdioxid hat weder als Mikrometer noch als Nanometer großer Partikel eine negative Wirkung im Magen-Darm-Trakt. Meist werden Varianten getestet, die gar nicht für den Gebrauch in Lebensmitteln zugelassen sind, und dennoch sind auch diese Modifikationen des SiO₂ nicht toxisch  

Aufnahme über medizinische Anwendung (iatrogen)

Siliziumdioxid ist ein pharmazeutischer Hilfsstoff und wird in Tabletten, Kapseln, Gelen, Salben und anderen Anwendungen eingesetzt. Auch Kosmetika und Körperpflegeprodukte enthalten SiO₂ zum Schutz der Haut oder zur Verbesserung der Cremes, Nahrungsergänzungsmittel werden in Apotheken und Drogerien angeboten zur Unterstützung des Haar- und Nagelwuchses.   Eine Aufnahme in den Menschen ist für Siliziumdioxid bei der Vielzahl der auch körpernahen Anwendungen nicht auszuschließen oder sogar gewollt (Nahrungsergänzungsmittel, Medikamente). Eine negative Wirkung wird für den Menschen seit Beginn der industriellen Verwendung des Siliziumdioxid (seit ca. 70 Jahren) weder für die mikroskaligen noch für die nanoskaligen Partikel beobachtet.